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Wie viele Protonen werden bei der oxidativen Phosphorylierung pro Elektronenpaar aus NADH herausgepumpt?

Wie viele Protonen werden bei der oxidativen Phosphorylierung pro Elektronenpaar aus NADH herausgepumpt?


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Ich habe im Internet gesucht und festgestellt, dass 10 Protonen während des Elektronenzyklus herausgepumpt werden sollen, aber ich bin etwas verwirrt.

Ich versuche, für jeden Komplex (1/3/4) die Anzahl der Protonen, die in der Matrix reduziert werden, gegenüber der Anzahl der Protonen zu zählen, die dem Intermembranraum hinzugefügt werden. Die Zahlen stimmen nicht.

meine Berechnungen:

  • Komplex 1: 4 Protonen reduziert, 4 Protonen hinzugefügt.
  • Komplex 3: 2 Protonen reduziert, 4 Protonen hinzugefügt.
  • Komplex 4: 2 Protonen reduziert (ohne diejenigen, die zu H2O kondensieren), 2 Protonen hinzugefügt.


Es scheint, als ob der Fehler in Komplex III liegt. Sehen Sie sich dieses Bild von hier aus an:

Es zeigt deutlich die Anzahl der in der Matrix reduzierten (und aus ihr entnommenen) Protonen und die Anzahl der in den Zwischenmembranraum gepumpten Protonen. Die Daten werden also:

Komplex I:

Matrix: 2H+ reduziert (von NADH + H+) + 2H+ abgepumpt

IMS: 4H+ eingepumpt

Komplex II:

Matrix: 2H+ reduziert (aus Succinat)

IMS: 0H+ eingepumpt

Komplex III:

Matrix: 2H+ abgepumpt (wenn man Komplex II nicht berücksichtigt, würde man 4H . zählen+ Hier)

IMS: 4H+ eingepumpt (2 aus Komplex II)

Komplex IV:

Matrix: 2H+ reduziert (auf H2Oh, wir werden es nicht berücksichtigen, wie Sie gesagt haben) + 2H+ abgepumpt

IMS: 2H+ eingepumpt

GESAMT:

Matrix: 10H+ subtrahiert/abgepumpt (mit 2H+ zu Wasser, gesamt 12H+)

IMS: 10H+ eingepumpt

Dies entspricht Ihrer Aussage, dass "10 Protonen während des Elektronenzyklus herausgepumpt werden sollen". Ich hoffe das hilft ;)

IMS = Intermembranraum


Ich möchte der bereits großartigen Antwort des vorherigen Mitglieds nur einen kleinen klarstellenden Punkt hinzufügen. Denken Sie daran, dass diese 10 Protonen, die am Ende in den Intermembranraum gepumpt werden, pro ein Molekül NADH. Jedes NADH-Molekül führt also dazu, dass 10 Protonen in den Intermembranraum transportiert werden (wie bereits erwähnt). Für jedes FADH2-Molekül werden jedoch nur 6 Protonen in den Intermembranraum gepumpt. Dies liegt daran, dass FADH2 Komplex I überspringt (es führt seine Elektronen über Komplex II an Ubichinon "Q" weiter).


ATP-Ausbeute durch Oxidation von Glukose bei der aeroben Atmung

Die Netto-ATP-Ausbeute in Eukaryoten aus Glykolyse, TCA-Zyklus und Elektronentransport und oxidativer Phosphorylierung kann leicht berechnet werden.

Vor der allgemeinen Annahme der chemiosmotischen Hypothese für die oxidative Phosphorylierung basierte diese Berechnung auf dem Phosphat/Sauerstoff-Verhältnis (P/O-Verhältnis). Die meisten Experimente ergaben P/O (ATP bis ½ O2)-Verhältnis von mehr als zwei, wenn NADH der Elektronendonor war, und mehr als eins, wenn Succinat der Elektronendonor war.

Unter der Annahme, dass das P/O-Verhältnis einen ganzzahligen Wert haben sollte, waren sich die meisten Experimentatoren einig, dass das P/O-Verhältnis 3 für NADH und 2 für Succinat (FADH) betragen muss.2.

Auf der Grundlage dieser P/O-Verhältnisse (der Anzahl der pro Sauerstoffatom gebildeten und um 2 Elektronen in der Elektronentransportkette reduzierten ATPs) wurde die Gesamt-ATP-Ausbeute aus der Oxidation eines Glucosemoleküls bei der aeroben Atmung mit maximal 36 berechnet ATPs. Die Zahl geht auf 38, wenn Malat-Aspartat-Suttle anstelle von Glycerin-3-Phosphat-Suttle verwendet wird.

Da die chemiosmotische Hypothese zur Kopplung der ATP-Synthese mit der oxidativen Phosphorylierung allgemein akzeptiert wurde, gab es keine theoretische Voraussetzung für ein integrales P/O-Verhältnis.

Die relevante Frage war nun, wie viele Protonen (H + ) durch die Elektronentransportkette von einem NADH zum Sauerstoff nach außen gepumpt werden und wie viele Protonen (H + ) durch die F1/F0 ATPase-Komplex, der die Synthese eines ATP&agr; Die besten aktuellen Schätzungen für pro Elektronenpaar herausgepumpte Protonen sind 10 für NADH und 6 für Succinat (FADH2).

Der am weitesten verbreitete experimentelle Wert für die Anzahl der Protonen, die für die Synthese eines ATP-Moleküls erforderlich sind, beträgt 4, von denen einer für den Transport von Pi (anorganisches Phosphat), ATP und ADP durch die Mitochondrienmembran verwendet wird. Wenn pro NADH 10 Protonen abgepumpt werden und 4 einfließen müssen, um ein ATP zu produzieren, beträgt das protonenbasierte P/O-Verhältnis 2,5 (10/4) für NADH und 1,5 (6/4) für Succinat (FADH .).2).

Daher werden, wie in Tabelle 24.3 angegeben, 30 ATP-Moleküle synthetisiert, wenn Glucose vollständig zu CO . oxidiert wird2. Diese Zahl geht auf 32, wenn Malat-Aspartat-Suttle anstelle von Glycerin-3-Phosphat-Suttle verwendet wird.

Die ATP-Ausbeuten in Bakterien unter aeroben Bedingungen können geringer sein, da die bakteriellen Elektronentransportsysteme oft niedrigere P/O-Verhältnisse aufweisen als das eukaryontische System. Zum Beispiel hat Escherichia coli mit seinen verzweigten Elektronentransportketten ein P/O-Verhältnis von etwa 1,3 bei Atmung bei hohem Sauerstoffgehalt und nur ein Verhältnis von etwa 0,67 bei Atmung bei niedrigem Sauerstoffgehalt.

In diesem Fall variiert die ATP-Synthese mit den Umgebungsbedingungen. Vielleicht, weil E. coli normalerweise in nährstoffreichen Lebensräumen wächst, muss es bei der ATP-Synthese nicht besonders effizient sein. Vermutlich funktioniert die Elektronentransportkette, wenn sich E. coli in einer aeroben Süßwasserumgebung zwischen Wirten befindet.


Wie viele Protonen werden bei der oxidativen Phosphorylierung pro Elektronenpaar aus NADH herausgepumpt? - Biologie

Reaktivität in der Chemie

Oxidative Phosphorylierung

OP2. Komplex I

Komplex I ist eine Sammlung von Proteinen, die als einer von zwei Eintrittspunkten in die oxidative Phosphorylierung dient, der andere ist Komplex II. Beide Komplexe nehmen Elektronen von Molekülen auf, die beim Katabolismus von Glukose produziert werden. Indem diese Elektronen von einem Elektronenakzeptor zu einem anderen transportiert werden, im Allgemeinen zu einem höheren Potenzial (denken Sie daran, dass dies in der Redox-Terminologie eine niedrigere Energie bedeutet), kann die Anordnung von Proteinen, die an der oxidativen Phosphorylierung teilnehmen, ATP produzieren. ATP wiederum wird verwendet, um andere Stoffwechselprozesse anzutreiben.

Die wichtigsten Ereignisse in Komplex I sind in der folgenden Karikatur zusammengefasst. Sie können die Elektronen sehen, die aus der Matrix unten im Bild eintreten (der Weg wird durch die blauen Pfeile angezeigt). Sie werden von NADH geliefert und an FMN übergeben. Dieser Schritt wird weiter unten besprochen. Die Elektronen werden über einen Außensphären-Elektronentransfer durch eine Reihe von Eisen-Schwefel-Clustern übertragen und schließlich an das lipidlösliche Ubichinon (Q) abgegeben.

Komplex I markiert den Beginn der Elektronentransportkette.

Elektronen werden von NADH abgegeben, passieren Komplex I und erreichen schließlich ein Ubichinon.

Die beim Elektronentransport freigesetzte Energie hilft, Protonen durch den Komplex zu pumpen.

Das Bild unten stammt aus einer Röntgenkristallstruktur von Komplex I (die Quelle der Daten ist am Ende dieser Seite angegeben). Anstatt jedes Atom zu zeigen, was das übliche Ergebnis einer Kristallstruktur ist, werden die Daten in einer "Cartoon"-Form angezeigt, damit Sie einen besseren Eindruck von der Gesamtstruktur erhalten. Das Bild ist außerdem farbcodiert, damit Sie Strukturen besser erkennen können. Die rosafarbenen Helices (Spiralen) entlang der Oberseite sind der Teil des Komplexes, der in der inneren Mitochondrienmembran gebunden ist. Auch die Membran würde sich von links nach rechts über den oberen Bildrand erstrecken. Man kann sich leicht vorstellen, dass das parallele Bündel von α-Helices gut in die Mitte der parallelen Anordnung von Phospholipiden passt, die die Membran bilden. Die eiförmige, gelbe und rosafarbene Form rechts unten ist der Teil des Komplexes, der sich in die mitochondriale Matrix erstreckt. Die gelben Teile zeigen &beta-Blätter an, während die weißen Fäden Schlaufen anzeigen.

Bestimmte Aminosäuren sind wahrscheinlich entlang der &alpha-Helices zu finden, die in der Membran binden. Geben Sie unten verschiedene Möglichkeiten an.

Bei Komplex I werden die Elektronen in Form von NADH eingeführt. Elektronen wandern durch Komplex I und werden schließlich an Ubichinon abgegeben. Ubichinon trägt die Elektronen zur nächsten Stufe des oxidativen Phosphorylierungs-Superkomplexes, dem Komplex III. Da Komplex I Elektronen von NADH aufnimmt und sie an Ubichinon abgibt, wird Komplex I auch als "NADH: Ubichinon-Oxidoreduktase" bezeichnet.

NADH wird während der Glykolyse und des TCA-Zyklus produziert. Denken Sie daran, NADH ist ein Zwei-Elektronen-Donor: Es spendet ein Hydrid-Ion an ein Substrat und wird zu NAD + . Ein Hydrid-Ion besteht natürlich nur aus einem Proton und zwei Elektronen.

Bei der Glykolyse produziertes NADH und der TCA-Zyklus liefert ein Elektronenpaar an Komplex I.

Das NADH wird dem Komplex I aus der mitochondrialen Matrix (im Inneren des Mitochondriums) zugeführt.

Der mit Abstand häufigste Elektronenakzeptor im Superkomplex der oxidativen Phosphorylierung ist ein Eisenatom. Die häufigsten Oxidationsstufen für Eisenionen sind natürlich Fe 2+ und Fe 3+ . Ein Eisen in der Oxidationsstufe 3+ kann ein Elektron aufnehmen und wird zu Fe 2+ . Im Gegensatz dazu könnte ein Eisen in der Oxidationsstufe 2+ ein Elektron weitergeben und dabei zu Fe 3+ werden.

Stellen Sie sich eine Eimerbrigade vor, bei der Menschen, die Eimer mit Wasser von einem zum anderen weiterreichen, gemeinsam handeln, um ein Feuer zu löschen. Ähnlich verhalten sich die Eisenatome, die jeweils ein Elektron an das nächste weitergeben, um die Elektronentransportkette zu vervollständigen.

Der Elektronentransport erfolgt über viele kleine Schritte statt über wenige große.

Wenn wir die Proteine ​​von Komplex I entfernen, können wir uns ein Bild von einigen der anderen Teile im Inneren machen. Wenn wir uns die Röntgenkristallstrukturdaten ansehen, können wir einfach jedes Atom im Protein ignorieren, bis uns die "Liganden" In der Biochemie bedeutet Liganden das Material, das an die Proteine ​​​​gebunden ist (im Gegensatz zur anorganischen Chemie, wo es das Material bedeutet, das an die Metalle gebunden ist). Das sehen wir unten. Die roten und gelben Formen, die Sie sehen, sind Eisensulfidkomplexe, die so aufgereiht sind, dass sie Elektronen durch Komplex I weiterleiten können. Die Teile, die wir hier sehen, befinden sich im hydrophilen Teil von Komplex I, dh sie befinden sich im Gelb und rosa eiförmiger Teil, der in der obigen Struktur zu sehen ist. Dieses Bild ist in die gleiche Richtung orientiert wie das Bild über dem Eisenkomplexe erstrecken sich vom unteren Teil der hydrophilen Domäne bis zum Rand des hydrophoben, membrangebundenen Teils des Komplexes.

Wir haben also einen "Draht", um die Elektronen durch den Komplex zu tragen, nachdem sie von NADH geliefert wurden. Wir haben jedoch ein Mismatch-Problem. NADH ist ein Zwei-Elektronen-Donor. Ein Fe 3+ -Ion ist ein Ein-Elektronen-Akzeptor. Für diesen elektrischen Anschluss benötigen wir einen Adapter. Der Adapter kommt in Form von FMN. FMN ist die Struktur mit einigen blau und rot gefärbten Atomen in der unteren rechten Ecke des Bildes.

NADH spendet jeweils nur zwei Elektronen.

Die Eisenionen in der Elektronentransportkette können zwischen Fe(III) und Fe(II) hin- und herschalten, sie können jeweils nur ein Elektron aufnehmen.

Um den Zwei-Elektronen-Transfer in den Ein-Elektronen-Transfer umzuwandeln, wird ein Adapter benötigt.

FMNH2 ist ein bisschen wie NADH. Seine oxidierte Form FMN kann zwei Elektronen und ein Proton in Form eines Hydridions sowie ein zusätzliches Proton aufnehmen. Mit anderen Worten, FMN akzeptiert H – und H +, um FMNH2 zu werden. FMN steht jedoch ein etwas anderer Weg zur Verfügung. Es kann auch ein Elektron nach dem anderen reduzieren. In Wirklichkeit würde der Zugabe eines Elektrons kurz vor oder kurz die Zugabe eines Protons folgen, um die Gesamtladung gleich zu halten. Dieser Zustand, FMNH, wird Semichinonform genannt.

Was ist der Unterschied zwischen NAD und FMN? Warum kann der eine nur ein Elektronenpaar aufnehmen, während der andere jeweils eines aufnehmen kann? Wenn FMN ein Elektron aufnimmt, wird es zu einem Radikal. Radikale sind instabile, reaktive Spezies. Sie können hauptsächlich durch Delokalisierung stabilisiert werden. Die zusätzliche Konjugation in FMN im Vergleich zu NAD ermöglicht eine stärkere Delokalisierung des ungeraden Elektrons in FMN. Diese radikale Stabilität ist der entscheidende Unterschied.

Das Vorhandensein einer erweiterten Konjugation stabilisiert ein Radikal auf FMNH.

Die Stabilität dieses Radikals ermöglicht es FMN, jeweils ein Elektron aufzunehmen.

Bereitstellung eines Mechanismus für die Umwandlung von FMN in FMNH2 in Gegenwart von NADH und einer Lysin-Seitenkette bei pH 7.

Sobald sich FMNH2 gebildet hat, gilt natürlich das Umgekehrte. Es kann jeweils ein Elektron abgeben. Als Ergebnis kann FMN ein Elektronenpaar, das von NADH kommt, aufnehmen und nacheinander in die Elektronentransportkette aussenden.

Der Rest der Elektronentransportkette durch Komplex I besteht aus einer Reihe von Eisen-Schwefel-Clustern. Wie der Name schon sagt, bestehen diese Cluster aus Eisen- und Schwefelatomen. Die häufigste Sorte enthält vier Eisenatome und vier Schwefelatome, die an den Ecken eines Würfels angeordnet sind. Diese Cluster werden aus offensichtlichen Gründen oft als 4Fe4S-Cluster bezeichnet: Es gibt 4 Eisenatome und 4 Schwefelatome. Die Schwefelatome an den Ecken sind in Wirklichkeit Sulfidionen, S 2- . Zusätzlich zu den drei Schwefelionen ist jedes der Eisenatome noch an einen anionischen Cysteinrest gebunden, so dass das Eisen eine tetraedrische Koordinationsgeometrie besitzt. Die Eisenatome liegen als Kombination von Fe 2+ und Fe 3+ Ionen vor.

Eisen-Schwefel-Cluster sind beim biologischen Elektronentransport sehr verbreitet.

Die Eisenionen können Fe(II) oder Fe(III) sein.

Die Liganden für die Eisenionen umfassen Sulfidionen, S 2 – .

Die Eisensulfid-Cluster werden normalerweise durch Cystein-Liganden (CysS – ) im Protein gehalten.

Hier ist eine andere Ansicht der Liganden, diesmal aus einem anderen Blickwinkel. Sehen Sie, ob Sie eine Gruppe von vier Eisenatomen (rot gefärbt) finden, die mit vier Schwefelatomen (gelb gefärbt) verbunden sind.

Es gibt andere Variationen von FeS-Clustern. Ein sehr verbreiteter ist ein 2Fe2S-Cluster, der natürlich aus zwei Eisenatomen und zwei Sulfidionen an abwechselnden Ecken eines Diamanten besteht. Im Bild oben sind einige dieser Cluster zu sehen. Auch hier könnten die Eisenatome Fe 2+ - oder Fe 3+ -Ionen oder eines von beiden sein. Außerdem ist jedes Eisen normalerweise an zwei zusätzliche Cystein-Anionen gebunden, um eine tetraedrische Geometrie zu vervollständigen. Diese Gruppen werden hier jedoch nicht gezeigt, da wir das Protein aus dem Bild gelassen haben. (Wir werden schließlich sehen, dass andere Aminosäuren gelegentlich anstelle von Cystein Eisen-Schwefel-Cluster binden.)

Eine andere Möglichkeit ist ein 3Fe4S-Cluster, eine einseitige Angelegenheit, bei der eines der Eisenatome im Wesentlichen aus dem FeS-Würfel weggelassen wird.

Unter der Annahme, dass ein Eisen als Fe(III) und der Rest als Fe(II) vorhanden ist, berechnen Sie die Gesamtladungen auf:

Die Umwelt spielt eine Rolle bei der Modulation von Reduktionspotentialen in Proteinen. Angenommen, ein 2Fe2S-Cluster befindet sich in einer gemischten Fe(II)/(III)-Oxidationsstufe. Wie wäre sein Reduktionspotential, wenn es von unpolaren Aminosäureresten umgeben ist, im Vergleich zu seinem Reduktionspotential, wenn es von polaren Aminosäureresten umgeben ist?

Im Komplex I gibt es eine ganze Reihe dieser Cluster. Die von NADH gelieferten Elektronen werden von einem zum nächsten und dann zum nächsten geschickt. Für diese Anordnung gibt es mehrere Gründe.

Da diese Cluster alle vom Protein an Ort und Stelle gebunden – vollständig immobilisiert – sind, muss der Elektronentransfer über einen äußeren Kugelmechanismus erfolgen. Warum gibt es so viele Cluster? Denken Sie daran, dass Elektronentransfers in der äußeren Sphäre eine begrenzte Reichweite haben. Das Elektron kann in den meisten Fällen nur so weit hüpfen. Durch die Bereitstellung einer Reihe von leitfähigen FeS-Clustern kann das Elektron von einem zum nächsten hüpfen, angeordnet wie Trittsteine ​​​​über einen Fluss.

Darüber hinaus nimmt die Elektronentransportkette Elektronen von NADH auf und gibt sie schließlich an molekularen Sauerstoff in Komplex IV ab. Der molekulare Sauerstoff wird in Wasser umgewandelt. Dieser Übergang von NADH zu Wasser ist sehr exotherm. Die Reaktion geht energetisch sehr bergab. Um diesen Transfer praktisch durchführbar zu machen und die enorme Energiemenge zu nutzen, darf man die Elektronen nur Stück für Stück bergab gehen.

Gelegentlich können Elektronen sogar leicht bergauf springen und Energie zurückgewinnen, die bei früheren Übertragungen an die Umgebung verloren gegangen ist. Dieser Dämpfungseffekt kann den gesamten Prozess effizienter machen. Dennoch rollen die Elektronen insgesamt energetisch bergab. Ein Elektron kann einige Male bergauf springen, aber schließlich wird diesen bergauf Sprüngen ein Abfall nach unten folgen, so dass sich das Elektron insgesamt zu einer niedrigeren Energie bewegt hat.

Ein gelegentlicher Elektronentransfer bergauf absorbiert Energie.

Die Rückabsorption steigert die Effizienz, indem sie Wärmeverluste verhindert.

In Komplex I ist das Endziel für die Elektronentransportkette ein Ubichinon, manchmal abgekürzt als Q oder UQ. Wie FMN ist UQ ein Akzeptor mit zwei Elektronen und zwei Protonen, der zu UQH2 wird. Ebenso wie FMN kann UQ ein Proton und ein Elektron gleichzeitig aufnehmen, um die Semichinonform UQH zu bilden. Dies ist wieder einmal eine radikale Spezies.

Stellen Sie einen Mechanismus für die Umwandlung von UQ in UQH2 in Gegenwart von Fe 2+ -Ionen und Lysin-Seitenketten bei pH 7 bereit.

UQ unterscheidet sich stark von den FeS-Clustern oder dem FMN, da es nicht an ein Protein gebunden ist. Es ist nicht festgebunden. Es kann sich bewegen. Das macht es zu einem mobilen Elektronenträger. UQH2 ist nicht nur ein Elektronenakzeptor mit relativ hohem Potential (zumindest im Vergleich zu anderen Dingen in Komplex I), sondern auch darin, Elektronen an Komplex III zu liefern, damit die Elektronentransportkette fortgesetzt werden kann.

Das Problem ist, wenn UQH2 mobil ist, was hindert es daran, wegzuwandern? Wie wird sein Weg begrenzt, damit er mit größerer Wahrscheinlichkeit sein Ziel erreicht? Denken Sie daran, dass der Superkomplex der oxidativen Phosphorylierung eine Gruppe membrangebundener Proteine ​​ist. Sie werden in einer lipidreichen Umgebung gehalten. Die Struktur von UQH2 mit seinem langen Schwanz ist sehr lipophil. Wenn es in der Membran bleibt, sind seine Bewegungen auf zwei statt drei Dimensionen beschränkt, und es ist viel wahrscheinlicher, dass es sein Ziel von Komplex III erreicht.

Ubichinon ist ein fettlöslicher, mobiler Elektronenüberträger.

Seine Bewegung ist auf die Mitochondrienmembran beschränkt.

Es gibt noch ein wichtiges Merkmal von Komplex I. Wie einige der anderen Komplexe, die an der oxidativen Phosphorylierung beteiligt sind (Komplexe III und IV), pumpt Komplex I Protonen durch die innere Mitochondrienmembran. Letztendlich kaskadieren die Protonen, die sich am Rand der inneren Mitochondrienmembran angesammelt haben, zurück und drehen ein molekulares Mühlrad, das die Herstellung von ATP antreibt. Das ATP wird verwendet, um Prozesse in der gesamten Zelle anzutreiben.

Protonen werden aktiv durch die Mitochondrienmembran gepumpt.

Als Ergebnis entwickelt sich eine Ladung über die Membran.

Die mitochondriale Matrix wird "n-dotiert" oder negativ geladen.

Der Zwischenmembranraum wird "p-dotiert" oder positiv geladen.

Diese Protonenpumpe ist ein Beispiel für aktiven Transport. Es wird Energie aufgewendet, um Protonen durch die Membran zu transportieren, trotz eines Aufbaus einer positiven Ladung im Zwischenmembranraum (und eines entsprechenden Aufbaus einer negativen Ladung in der Matrix). Die von der Elektronentransportkette freigesetzte Energie kann für Konformationsänderungen im Protein verantwortlich sein, die diesen Transport unterstützen.

Es scheint immer noch Diskussionen darüber zu geben, wie die Protonenpumpe in diesem System genau funktioniert. Einige Dinge sind jedoch klar. Der Transport von Proteinen durch eine hydrophobe Membran wird wahrscheinlich durch das Vorhandensein hydrophiler Teile des Proteins erleichtert. Es wird angenommen, dass sich im Protein Kanäle öffnen, die es Wassermolekülen ermöglichen, sich durch das Protein zu bewegen. Da das Protein in die Membran eingebettet ist, passieren auch diese Protonen gleichzeitig die Membran.

Häufig können bestimmte Aminosäuren eine Rolle bei der Unterstützung des Transports von Protonen (oder anderen Ionen) spielen. Geben Sie einige verschiedene Möglichkeiten für diese Aminosäuren ein.

Im Allgemeinen ist das Proton, das auf der einen Seite der Membran in den Komplex eintritt, wahrscheinlich nicht dasselbe Proton, das auf der anderen Seite austritt. Geben Sie einen Mechanismus mit Pfeilen an, um diesen Vorgang zu veranschaulichen.

Die Freisetzung von Energie über die Elektronentransportkette treibt den Transport von Protonen durch die Membran. Es gibt noch einen weiteren Faktor, der hilft. Wie die Elektronen wandern auch die Protonen von der Matrix in Richtung Intermembranraum. Sowohl positive als auch negative Ladungen wandern in die gleiche Richtung. Damit eröffnet sich die Möglichkeit des gekoppelten Transports, bei dem der Elektronenfluss durch das Protein das Mitführen von Protonen erleichtert (oder umgekehrt).

Beim gekoppelten Transport folgt der Bewegung eines Protons schnell die Übertragung eines Elektrons (oder umgekehrt).

Elektronen und Protonen wandern durch den Komplex I in die gleiche Richtung: von der Matrix zum Zwischenmembranraum.

Ihre gegensätzlichen Ladungen können zu einem gekoppelten Mechanismus führen, bei dem die Bewegung des einen es dem anderen erleichtert, zu folgen.

Komplex I ist nicht der einzige Eintrittspunkt für Elektronen in die Elektronentransportkette. Komplex II spielt eine ähnliche Rolle. Zusammen gewinnen sie Energie aus der Elektronentransportkette, die letztendlich zur Herstellung von ATP verwendet wird, das sich durch die Zelle bewegen kann, um Energie an anderer Stelle freizusetzen.

Geben Sie einen Mechanismus für die Oxidation von FMNH2 durch Eisen(III) an.

Es ist schwierig, das Reduktionspotential einer einzelnen Stelle innerhalb eines Proteins zu messen. Forscher konnten diese Werte jedoch durch Messung von EPR-Spektren unter verschiedenen Bedingungen abschätzen. Hier ist zum Beispiel ein ungefähres Bild der Potentiale in Komplex I.

a) Zwei der N-Cluster sind wahrscheinlich nicht direkt an der Elektronentransportkette beteiligt. Welche?

b) Verwenden Sie die Daten im Diagramm, um ein Potentialenergiediagramm für den Transfer des Elektrons entlang des Pfades zu erstellen.

Berechnen Sie mit den Werten in der obigen Abbildung die Energieänderung, wenn ein Elektron vom N5-Cluster zum N6a-Cluster übertragen wird.

Röntgenkristallstrukturen: Efremov, R.G., Baradaran, R., Sazanov, L.A. Die Architektur des Atmungskomplexes I. Natur 2010 465: 441-445. Bilder erhalten über RCSB Protein Data Bank (3M9S).

Diese Site wird von Chris P. Schaller, Ph.D., College of Saint Benedict / Saint John's University geschrieben und gepflegt (mit Beiträgen anderer Autoren, wie angegeben). Es ist für Bildungszwecke frei verfügbar.

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Struktur und Reaktivität in der organischen, biologischen und anorganischen Chemie von Chris Schaller ist lizenziert unter a Creative Commons Namensnennung-Nicht kommerziell 3.0 Unported License.

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Dieses Material basiert auf Arbeiten, die von der National Science Foundation unter der Grant No. 1043566 unterstützt wurden.

Alle Meinungen, Ergebnisse und Schlussfolgerungen oder Empfehlungen in diesem Material sind die der Autoren und spiegeln nicht unbedingt die Ansichten der National Science Foundation wider.


Komplex II

Komplex II, auch genannt Succinat-Dehydrogenase , enthält das eigentliche Enzym, das wir in Schritt 6 des Krebs-Zyklus gesehen haben. Seine Bindungsstelle für Succinat befindet sich auf der Matrixseite der Membran und der Transporter (FAD) ist tatsächlich Teil des Komplexes selbst. Die Elektronen aus dem Succinat reduzieren FAD zu FAD -2, während die Wasserstoffionen und das Fumarat in die Matrix freigesetzt werden.

Ein FADH2, aus dem Inneren des Komplexes, wird oxidiert, wodurch ein Paar von Wasserstoffionen erzeugt wird, um die Reduktion des neu gebildeten FAD -2 zu vervollständigen und sich somit selbst zu regenerieren. Das FAD akzeptiert das nächste empfangene Elektronenpaar. Das Elektronenpaar wird auf ein Coenzym Q übertragen, das an der Oberfläche des Komplexes befestigt ist, um Q -2 zu bilden. Schließlich vervollständigt ein Paar Wasserstoffionen aus dem Pool in der Matrix die Reduktion des Coenzyms zu QH2.

  • Ein (1) Paar Wasserstoffionen und Fumarat zur Matrix.
  • Ein (1) Elektronenpaar an das FAD innerhalb des Komplexes, das schließlich an ein (1) Coenzym Q abgegeben wird, das Q -2 bildet (nicht gezeigt)
  • Ein (1) Paar Wasserstoffionen aus der Matrix verbindet sich mit dem reduzierten Q -2 zu einem (1) QH2.

Mitochondrien werden oft als das "Kraftwerk" einer Zelle bezeichnet, da hier Energie aus der Oxidation von Nahrung weitgehend freigesetzt wird. Reduktionsäquivalente aus der Beta-Oxidation von Fettsäuren und aus dem Krebs-Zyklus gelangen in die Elektronentransportkette (auch Atmungskette genannt). Während einer Reihe von Redoxreaktionen wandern Elektronen die Kette entlang und geben ihre Energie in kontrollierten Schritten ab. Diese Reaktionen treiben den aktiven Transport von Protonen von der mitochondrialen Matrix durch die innere Membran zum Zwischenmembranraum an. Die Atmungskette besteht aus fünf Haupttypen von Trägerflavinen, Eisen-Schwefel-Zentren, Chinonen, Cytochromen (Hämproteinen) und Kupfer. Die beiden wichtigsten Reduktionsäquivalente, die in die Atmungskette gelangen, sind NADH und FADH2. NADH wird über die NADH-spezifische Dehydrogenase verknüpft, während FADH2 innerhalb der Succinatdehydrogenase und einer Ubichinonreduktase des Fettsäureoxidationsweges reoxidiert wird. Sauerstoff ist der letzte Elektronenakzeptor und wird mit Protonen in Wasser umgewandelt, das Endprodukt der aeroben Zellatmung. Ein elektrochemischer Protonengradient (oft als protonmotorische Kraft bezeichnet) wird über die innere Membran mit positiver Ladung im Zwischenmembranraum relativ zur Matrix aufgebaut. Protonen, die durch die protonenmotorische Kraft angetrieben werden, können in die ATP-Synthase eintreten und so zur mitochondrialen Matrix zurückkehren. ATP-Synthasen nutzen diesen exergonischen Fluss, um ATP in der Matrix zu bilden, ein Prozess, der als chemiosmotische Kopplung bezeichnet wird. Ein Nebenprodukt dieses Prozesses ist die Wärmeerzeugung.

Eine Antiport-ATP-ADP-Translocase exportiert vorzugsweise ATP aus der Matrix, wodurch ein hohes ADP:ATP-Verhältnis in der Matrix aufrechterhalten wird. Die enge Kopplung des Elektronenflusses an die ATP-Synthese bedeutet, dass der Sauerstoffverbrauch von der ADP-Verfügbarkeit abhängt (als Atmungskontrolle bezeichnet). Hohes ADP (niedriges ATP) erhöht den Elektronenfluss, wodurch der Sauerstoffverbrauch erhöht wird, und niedriges ADP (hohes ATP) verringert den Elektronenfluss und verringert dadurch den Sauerstoffverbrauch. Es gibt viele Inhibitoren der mitochondrialen ATP-Synthese. Die meisten wirken, indem sie entweder den Elektronenfluss blockieren (zB Cyanid, Kohlenmonoxid, Rotenon) oder den Elektronenfluss von der ATP-Synthese entkoppeln (zB Dinitrophenol). Thermogenin ist ein natürliches Protein, das in braunem Fett vorkommt. Neugeborene haben eine große Menge an braunem Fett und die von Thermogenin erzeugte Wärme ist eine Alternative zur ATP-Synthese (und somit erzeugt der Elektronenfluss nur Wärme) und ermöglicht die Aufrechterhaltung der Körpertemperatur bei Neugeborenen.

Die Elektronentransportkette befindet sich in der inneren Mitochondrienmembran und besteht aus etwa 80 Proteinen, die in vier Enzymkomplexen (I-IV) organisiert sind. Komplex V erzeugt ATP, hat aber keine Elektronentransferaktivität. Neben diesen 5 Komplexen gibt es auch zwei Elektronen-Shuttle-Moleküle Coenzym Q (auch bekannt als Ubichinon, CoQ) und Cytochrom c (Cytc). Diese beiden Moleküle transportieren Elektronen zwischen den großen Komplexen in der Kette.

Wie viele ATPs werden durch diesen Prozess erzeugt? Theoretisch können für jedes Glucosemolekül 32 ATPs produziert werden. Wenn Elektronen von NADH zu Sauerstoff in der Kette abfallen, kann die Anzahl der Protonen, die durch die ATP-Synthase herausgepumpt und zurückgekehrt werden, 2,5 ATPs pro Elektronenpaar produzieren. Für jedes von FADH2 gespendete Paar können nur 1,5 ATPs gebildet werden. Aus jedem Glukosemolekül werden zwölf Elektronenpaare entfernt

10 von NAD+ = 25 ATPs
2 von FADH2 = 3 ATPs.

Macht insgesamt 28 ATPs. Jedoch werden 2 ATPs während des Krebs-Zyklus und 2 ATPs während der Glykolyse für jedes Glucosemolekül gebildet, was eine Gesamt-ATP-Ausbeute von 32 ATPs ergibt. In Wirklichkeit wird die Energie aus der Atmungskette für andere Prozesse (wie den aktiven Transport wichtiger Ionen und Moleküle) verwendet, so dass unter normalen Atmungsbedingungen die tatsächliche ATP-Ausbeute wahrscheinlich nicht 32 ATPs erreicht.

Die reduzierenden Äquivalente, die die Elektronentransportkette antreiben, nämlich NADH und FADH2, werden durch den Krebs-Zyklus (TCA-Zyklus) und die Beta-Oxidation von Fettsäuren produziert. In drei Schritten im Krebs-Zyklus (Umwandlung von Isocitrat zu Oxoglutarat, Umwandlung von Oxoglutarat zu Succinyl-CoA Malat zu Oxalacetat) wird ein Elektronenpaar (2e-) entfernt und auf NAD+ übertragen, wodurch NADH und H+ gebildet werden. In einem einzigen Schritt wird ein Elektronenpaar aus Succinat entfernt, wodurch FAD zu FADH2 reduziert wird. Aus der Beta-Oxidation von Fettsäuren entsteht in einem Prozessschritt NADH und H+ und in einem anderen Schritt FADH2.

Zytoplasmatisches NADH, das aus der Glykolyse entsteht, muss oxidiert werden, um NAD+ zu bilden, das für die Glykolyse essentiell ist, sonst würde die Glykolyse nicht mehr funktionieren. Es gibt keinen Träger, der NADH direkt in die mitochondriale Matrix transportiert und die innere mitochondriale Membran ist für NADH undurchlässig, daher verwendet die Zelle zwei Shuttle-Systeme, um reduzierende Äquivalente in das Mitochondrium zu transportieren und zytosolisches NAD+ zu regenerieren.
Das erste ist das Glycerinphosphat-Shuttle, das Elektronen aus zytosolischem NADH verwendet, um FADH2 innerhalb der inneren Membran zu produzieren. Diese Elektronen fließen dann zu Coenzym Q. Komplex I wird umgangen, sodass auf diesem Weg nur 1,5 ATPs pro NADH gebildet werden können. Die ausgeglichene Gesamtgleichung, die alle Reaktionen in diesem System summiert, ist

NADH (Zytosol) + H+ (Zytosol) + NAD+ (mito.) = NAD+ (Zytosol) + NADH (mito.) + H+ (mito.)

Das Malat-Aspartat-Shuttle nutzt die Oxidation von Malat, um NADH in der mitochondrialen Matrix zu erzeugen. Dieses NADH kann dann direkt dem Komplex I zugeführt werden und kann so über die Atmungskette 3 ATPs bilden. Die ausgeglichene Gesamtgleichung lautet

NADH (Zytosol) + H+ (Zytosol) + FAD (inneres Glied) = NAD+ (Zytosol) + FADH2 (inneres Glied)

Beide Shuttle-Systeme regenerieren zytosolisches NAD+.

Eintrittspunkt für NADH ist Komplex I (NADH-Dehydrogenase) und Eintrittspunkt für FADH2 ist Coenzym Q. Der Elektroneneintrag aus der Fettsäureoxidation über Ubichinon ist kompliziert und im Diagramm nicht dargestellt.


Die Atmungskette

Abbildung 3. Oxidative Phosphorylierung: Elektronentransport und ATP-Synthese. Die Atmungskette besteht aus drei großen membranfixierten Proteinkomplexen (orange gefärbt) und zwei beweglichen Elektronenträgern (schwarz gefärbt). Elektronen werden von NADH an die NADH-Dehydrogenase abgegeben, einen großen Proteinkomplex, der Protonen durch die innere Membran pumpt. Dann werden Elektronen über das kleine, mobile Molekül Coenzym Q (Q), auch Ubichinon genannt, zum Cytochrom-b-c-Komplex transportiert. Der Cytochrom-b-c-Komplex pumpt auch Protonen durch die innere Membran. Diese Elektronen werden durch das mobile Protein Cytochrom c (Cyt c) an den letzten Proteinkomplex, die Cytochromoxidase, abgegeben. Cytochromoxidase gibt die Elektronen an Sauerstoff ab und es wird Wasser gebildet. Cytochromoxidase pumpt auch Protonen durch die Membran. Die Wasserstoffkonzentration ist im Intermembranraum viel höher als in der Matrix, wodurch ein elektrochemischer Protonengradient entsteht. Dieser Gradient treibt Protonen durch die ATP-Synthase (grau dargestellt), die die Synthese von ATP aus ADP und anorganischem Phosphat (Pi) katalysiert, durch die innere Membran zurück.

Die mitochondriale Elektronentransportkette, auch als bezeichnet Atmungskette, ist in drei Multiproteinkomplexe organisiert: NADH-Dehydrogenase, Cytochrom-b-c-Komplex, und Cytochromoxidase. Jeder Atmungskettenkomplex besteht aus mehreren verschiedenen Proteinen, die sowohl zum Elektronentransport als auch zum Pumpen von Protonen durch die innere Membran fähig sind, wodurch ein elektrochemischer Protonengradient erzeugt wird (in Abbildung 3 dargestellt). Die Proteine ​​in diesen Komplexen haben eine Vielzahl von prothetische Gruppen (siehe Tutorial Eigenschaften von Makromolekülen 1-Proteinen), einschließlich Eisen-Schwefel-Zentren, Häme, Flavine (die mehrfach beringten Einheiten von FADs) und Kupfer, die alle Elektronen aufnehmen und abgeben können. Electron transport is initiated when a pair of electrons and a proton are released from NADH and accepted by NADH dehydrogenase, whereupon the electrons are transported from one protein to another within the complex. The electrons are then transported from that complex to the cytochrome b-c complex by the mobile electron carrier coenzyme Q (CoQ), also called ubiquinone, the sole non-protein electron carrier in the respiratory chain. The electrons move through the cytochrome b-c complex and are transported to the final complex by the small protein cytochrome c. The final complex, cytochrome oxidase, catalyzes the transfer of the electrons to oxygen. The free energy of this complete reaction (NADH + H+ + 1/2 O2 -> NAD+ + H2O) is -52.6 kcal/mol. The free energy is released in a stepwise fashion as the electrons move through the ETC, and is captured in the electrochemical proton gradient. FADH2also donates its electrons to the respiratory chain, but because its redox potential is higher than that of NADH dehydrogenase, it cannot donate its electrons to that protein complex. Instead, the electrons from FADH2 are donated to Succinat-Dehydrogenase, which, in turn, will pass the electrons to CoQ and they will be transported through the remainder of the respiratory chain. The hydrogen electrochemical gradient that is generated during electron transport initiated by FADH2 is not as great as that generated by NADH. This is because FADH2donates its electrons to succinate dehydrogenase, which does not pump any protons, and the electrons bypass NADH dehydrogenase, which does pump protons.


5.4: Oxidative Phosphorylation

  • Contributed by E. V. Wong
  • Axolotl Academica Publishing (Biology) at Axolotl Academica Publishing

Oxidative phosphorylation denotes the phosphorylation of ADP into ATP, utilizing the energy from successive electron transports (hence the &ldquooxidative&rdquo). The basic concept is that oxidation of NADH, being highly exergonic, can generate the energy needed to phosphorylate ADP. Since oxidation of NADH by oxygen can potentially release 52 kCal/mol (218 kJ/mol), and the energy needed to phosphorylate ATP is approximately 7.5 kCal/mol (30.5 kJ/mol), we should be able to expect the formation of several ATP per oxidized NADH. Indeed, this is what happens, although not directly. As noted with the breakdown of glucose, a one-step oxidation would generate too much energy for cellular processes to handle, and most would be wasted. So instead of oxidizing NADH directly with O2, the electrons are transferred to a series of gradually lower-energy carriers until finally reaching oxygen. This sequence is the electron transport chain.

Abbildung (PageIndex<6>). The primary electron transport pathway in mitochondria. Complexes I, III, and IV are shown. Complex II is pictured in Figure (PageIndex<10>). The complexes are all buried in the inner mitochondrial membrane. Protons are being pumped from the matrix to the intermembrane space utilizing energy sapped from the high energy electrons as they move from a higher-energy carrier to a lower-energy carrier.

The electron transport chain is based on the activity of four major enzyme complexes (conveniently called complexes I-IV) embedded in the inner mitochondrial membrane, along with some small easily diffusible electron carriers to move the electrons from one complex to the next. These complexes are present in extremely high numbers as befits their necessity in generating energy, comprising nearly 75% of the inner membrane mass (in comparison, the plasma membrane of an average eukaryotic cell has a protein concentration closer to 50%). An overview of the process is shown in Figure (PageIndex<6>): as previously noted, electrons are stripped from NADH, and eventually end up on oxygen. As the electrons are moved to lower-energy carriers, energy is released and used to pump protons from the mitochondrial matrix into the intermembrane space.

Figure (PageIndex<7>). Although the size of complex I varies somewhat across species, the rough L-shaped three-dimensional conformation is constant. The FMN is located in the larger portion of the complex, while the ubiquinone docking site is located in the short branch. In the Figure above, which depicts two aspects (rotated 90°) of NADH dehydrogenase complex, the FMN is shown in grey and red, while Fe-S centers are shown in orange and yellow. The Figure was generated from data in the RCSB Protein Data Bank.

Complex I is an NADH dehydrogenase. Shown in yellow in Figure (PageIndex<6>), its purpose is to remove a pair of electrons from NADH and transfer them onto ubiquinone (Coenzyme Q or CoQ), a small hydrophobic electron carrier that can then carry the electrons to complex III. This is a multistep process that involves first transferring the electrons onto an associated flavin mononucleotide (FMN) molecule, which then transfers the electrons to a set of iron-sulfur moieties connected to the enzyme complex itself (structure in Figure (PageIndex<7>)). Finally, the electrons are moved onto ubiquinone. As these transfers occur, the energy that is released during these transfers powers the pumping of 4 H+ ions across the inner mitochondrial membrane. Complex I is inhibited by rotenone, a pesticide used primarily against insects and shes.

We&rsquoll take a mental pass on complex II for now and hit it at the end of this roll call. The reasons will be apparent then.

Complex III is also known as the cytochrome bc1 complex (Figure (PageIndex<6>), purple). The purpose of this complex is to pass the electrons from ubiquinone onto cytochrome c. The use of ubiquinone is important here, because it is stable with either two, or just one, extra electron. Cytochrome c, on the other hand, can only carry one electron. So, this complex docks ubiquinone, and holds it until it has passed its first electron onto cytochome c, which then moves onto complex IV, and then its second electron onto another cytochrome c. With each transfer, two protons are pumped across the membrane.

Finally, cytochrome c drops the electron off to complex IV, cytochrome c oxidase (Figure (PageIndex<6>), red). Cytochrome c oxidase accomplishes the final step: transferring electrons onto oxygen atoms to make water. The really interesting thing about this process is that the enzyme must hold onto the electrons as they are transferred one at a time from cytochrome c, until it holds four electrons. Then, it can transfer one pair to each of the oxygen atoms in molecular oxygen (O2). It is very important to do this because transferring any less than all four electrons would lead to the creation of reactive oxygen species (ROS) that could cause damage to the enzymes and membranes of the mitochondria.

In fact, some well known poisons act at exactly this point. Both cyanide and carbon monoxide can bind with higher affinity than oxygen at the heme in complex IV. Since neither can accept electrons, the effect is just as though no oxygen was available.

Although cytochrome c oxidase is sometimes abbreviated COX, it is nicht the target of the COX-2 inhibitors that are used pharmaceutically in pain management, e.g. Bextra, Celebrex, or Vioxx. That refers to a family of enzymes known as the cyclooxygenases.

Oxygen is absolutely required. If oxygen is not available, there is no place to transfer the electrons, and very quickly, the electron transport chain is halted and carriers such as cytochrome c and CoQ cannot release their electrons and eventually there are no more available carriers. Similarly, when that happens, NAD + is not regenerated, so the TCA cycle is also stuck. This leaves only the anaerobic non-oxygen-requiring glycolysis- fermentation cycle for generating ATP.

We now return to complex II (see Figure (PageIndex<10>)). We mentioned complex II as succinate dehydrogenase when discussing the TCA cycle. It also participates in the electron transport chain by passing electrons to ubiquinone. However, rather than transferring electrons that originated from NADH like the other three complexes of the electron transport chain, the electrons originate from the covalently bound electron carrier FADH2 (flavin adenine dinucleotide), which received the electrons from succinate, as described in the TCA cycle section. Once the electrons have been passed to ubiquinone, it then moves on to complex III to drop off those electrons to cytochrome c, and the rest of the electron transport chain continues. FAD, the oxidized form of FADH2, is then ready to participate in the next redox cycle.

The purpose of this electron transport chain, with respect to ATP generation, is the pumping of H+ from the mitochondrial matrix into the intermembranous space. Since the concentration of protons is higher in the intermembrane space, it will take energy to move them against the concentration gradient, which is where our high-energy electrons come into the picture. As they move from one carrier to the next, they are moving from a higher to a lower energy state. This implies that some energy is lost from the electron, and some of that energy is tapped by the enzymes of the electron transport chain to move protons from the matrix to the intermembrane space.

Figure (PageIndex<10>). Catabolic reactions of the mitochondria.

There are two methods by which the protons are moved: the redox loop, and the proton pump. The proton pump, which is the method by which complex IV moves protons, is the easier to understand: H + is bound on the matrix side of the enzyme in its reduced state (after it has received an electron), and a conformational shift occurs upon reoxidation to open the enzyme up to the intermembrane side, and the H + is released. The redox loop, which occurs in complex I, and in complex III in a variation called the Q cycle, essentially posits that an initial redox center requires the binding of both the high energy electron and a proton from the matrix side of the membrane. When the electron is transferred to the next redox center in the chain, a proton is released to the intermembrane space.

Whatever the mechanism, what is the point of all this proton pumping? As you might suspect, using up energy to pump an ion against its concentration gradient isn&rsquot done for the fun of it. Rather, this generates significant potential energy across the inner mitochondrial membrane. And, it so happens that there is an enzyme that can convert that energy into the physiologically useful chemical form of ATP. This enzyme is, not surprisingly, named ATP synthase (Figure (PageIndex<8>)). It is also referred to in some texts as the F1F0-ATPase, based on its reverse activity (at the expense of ATP, it can pump protons), and the fact that it can be broken down into two major functional units: F1 which can hydrolyze but not synthesize ATP and is a soluble protein, and F0 which is an insoluble transmembrane protein.

Figure (PageIndex<8>). ATP synthase. As protons pass through the ATP synthase, they release energy by going from high concentration to low. This energy drives the rotational movement of the shaft and the generation of ATP.

The ATP synthase is an extraordinary example of an enzyme that transforms the energy inherent in a concentration gradient across a membrane into mechanical energy, and finally into chemical bond energy. It is descriptively called a &ldquorotary engine&rdquo because the very generalized sequence of events is as follows: protons ow down their gradient through a proton channel subunit of the ATP synthase, in owing down the gradient, energy is released, this energy causes rotation of a multisubunit &ldquowheel&rdquo-like subunit attached to a spindle/axle (g subunit) which also spins. The spinning of this asymmetrically shaped spindle unit causes conformational changes in the catalytic subunit (made of the a and b subunits) it is attached to, changing an ADP+Pi binding site to a catalytic site that can &ldquosqueeze&rdquo the molecules together into an ATP, and then finally open up to release the ATP (Figure (PageIndex<9>)).

Figure (PageIndex<9>). ATP synthase head rotation. The rotating spindle causes asymmetric changes to the shape of the three potential binding sites, cycling them through the loose (L) conformation that binds ADP and Pich, the tight (T) conformation that literally squeezes the two substrates together into ATP, and the open (O) conformation that allows ATP.

Of course, it isn&rsquot quite that simple (Figure (PageIndex<8>)). Starting with the initial movement of pro- tons, as they move from the intermembrane space into the ATP synthase, they enter a small hydrophilic channel (a) and then bind onto one of the c-subunits of the &ldquowater wheel&rdquo c-ring. Binding of the H + to the c-subunit causes it to lose affinity for the a- subunit, allowing it to spin, and simultaneously causes a conformational change that essentially pushes off against the a-subunit, initiating the movement. Once it has spun around almost a complete turn, the H + is positioned by another channel (b), which funnels it from the c-subunit into the matrix. The c-subunit structure is connected to an asymmetric spindle that is itself connected to the catalytic subunits.


Mitochondrial Electron Transport Chain

The mitochondrial electron transport chain is composed of three main membrane-associated electron carriers flavoproteins (FMN, FAD), cytochromes, and quinones (coenzyme Q, also known as ubiquinone because it is a ubiquitous quinone in biological systems).

All these electron carriers reside within the inner membrane of the mitochondria and operate together to transfer electrons from donors, like NADH and FADH2, to acceptors, such as O2. The, electrons flow from carriers with more negative reduction potentials to those with more positive reduction potentials and eventually combine with O2 and H to form water.

However, the mitochondrial electron transport system is arranged into four enzyme complexes of carriers, each capable of transporting electrons part of the way to O2 (Fig. 24.5). Coenzyme Q and cytochrome c connect the complexes with each other.

The four enzyme complexes of carriers are: NADH-Q oxidoreductase, succinate-Q-reductase, Q-cytochrome c oxidoreductase, and cytochrome c oxidase. These complexes are the enzyme complex and each of them consists of different prosthetic groups (Table 24.2).

The process of mitochondrial electron transport chain is summarized in Figure 24.6, which shows the flow of electrons and protons through the four enzyme complexes of the transport chain.

The whole process of mitochondrial electron transport can be represented in brief in the following manner:

1. Electrons donated by NADH enter the chain at complex I (NADH-Q-oxidoreductase) and pass through a flavoprotein (FMN) to a series of iron-sulphur-proteins (FeS) and then to ubiquinone (Q).

2. Electrons donated by succinate enter the chain at Complex II (succinate-Q-reductase) and pass through a flavoprotein (FAD) and FeS centres and then to ubiquinone (Q).

3. Ubiquinone (Q) serves as a mobile carrier of electrons received from complexes I and II and passes them to complex III (Q-cytochrome c oxidoreductase).

4. Complex III called Q-cytochrome c oxidoreductase or cytochrome bc1 complex passes the electrons through its prosthetic groups Cyt bL (Heme bL), Cyt bh (heme bh), FeS, and Cyt cL (Heme cL) to cytochrome c.

5. Cytochrome c (Cyt c), a mobile connecting link between complex III and IV, passes electrons to complex IV (cytochrome c oxidase). The latter carries electrons through its prosthetic groups Cyt a (Heme a), Cyt a3 (Heme a3) CuEIN and CuB and transfers them to molecular oxygen, reducing it to H2Ö.

6. Electron flow through complexes I, III and IV is accompanied by proton flow from the mitochondrial matrix (which becomes negatively charged) to inter membrane space or cytosolic side (which becomes positively charged). The number of protons (H + ) moved across the membrane at each site per pair of electrons transported is still somewhat uncertain the current consensus is that at least 10 protons move outward during NADH oxidation.


Chemiosmosis

In chemiosmosis, the free energy from the series of redox reactions just described is used to pump hydrogen ions (protons) across the membrane. The uneven distribution of H + ions across the membrane establishes both concentration and electrical gradients (thus, an electrochemical gradient), owing to the hydrogen ions&rsquo positive charge and their aggregation on one side of the membrane.

If the membrane were open to diffusion by the hydrogen ions, the ions would tend to diffuse back across into the matrix, driven by their electrochemical gradient. Recall that many ions cannot diffuse through the nonpolar regions of phospholipid membranes without the aid of ion channels. Similarly, hydrogen ions in the matrix space can only pass through the inner mitochondrial membrane through an integral membrane protein called ATP synthase (Figure (PageIndex<2>)). This complex protein acts as a tiny generator, turned by the force of the hydrogen ions diffusing through it, down their electrochemical gradient. The turning of parts of this molecular machine facilitates the addition of a phosphate to ADP, forming ATP, using the potential energy of the hydrogen ion gradient.

Figure (PageIndex<2>): ATP synthase is a complex, molecular machine that uses a proton (H+) gradient to form ATP from ADP and inorganic phosphate (Pi). (Credit: modification of work by Klaus Hoffmeier)

Dinitrophenol (DNP) is an uncoupler that makes the inner mitochondrial membrane leaky to protons. Es wurde bis 1938 als Medikament zur Gewichtsreduktion verwendet. Welche Wirkung würde DNP Ihrer Meinung nach auf die pH-Änderung durch die innere Mitochondrienmembran haben? Why do you think this might be an effective weight-loss drug?

Chemiosmosis (Figure (PageIndex<3>)) is used to generate 90 percent of the ATP made during aerobic glucose catabolism it is also the method used in the light reactions of photosynthesis to harness the energy of sunlight in the process of photophosphorylation. Recall that the production of ATP using the process of chemiosmosis in mitochondria is called oxidative phosphorylation. The overall result of these reactions is the production of ATP from the energy of the electrons removed from hydrogen atoms. These atoms were originally part of a glucose molecule. At the end of the pathway, the electrons are used to reduce an oxygen molecule to oxygen ions. The extra electrons on the oxygen attract hydrogen ions (protons) from the surrounding medium, and water is formed.

Figure (PageIndex<3>): In oxidative phosphorylation, the pH gradient formed by the electron transport chain is used by ATP synthase to form ATP.

Cyanide inhibits cytochrome c oxidase, a component of the electron transport chain. If cyanide poisoning occurs, would you expect the pH of the intermembrane space to increase or decrease? What effect would cyanide have on ATP synthesis?


Krebs Cycle and Electron Transport Chain

The Krebs cycle occurs in the mitochondria of a cell. This sausage-shaped organelle possesses inner and outer membranes and, therefore, an inner and outer compartment. The inner membrane is folded over itself many times the folds are called cristae. They are somewhat similar to the thylakoid membranes in chloroplasts. Located along the cristae are the important enzymes necessary for the proton pump and for ATP production.

Prior to entering the Krebs cycle, the pyruvic acid molecules are altered. Each three-carbon pyruvic acid molecule undergoes conversion to a substance called acetyl-coenzyme A, or acetyl-CoA. During the process, the pyruvic acid molecule is broken down by an enzyme, one carbon atom is released in the form of carbon dioxide, and the remaining two carbon atoms are combined with a coenzyme called coenzyme A. This combination forms acetyl-CoA. In the process, electrons and a hydrogen ion are transferred to NAD to form high-energy NADH.

Acetyl-CoA now enters the Krebs cycle by combining with a four-carbon acid called oxaloacetic acid. The combination forms the six-carbon acid called citric acid. Citric acid undergoes a series of enzyme-catalyzed conversions. The conversions, which involve up to ten chemical reactions, are all brought about by enzymes. In many of the steps, high-energy electrons are released to NAD. The NAD molecule also acquires a hydrogen ion and becomes NADH. In one of the steps, FAD serves as the electron acceptor, and it acquires two hydrogen ions to become FADH2. Also, in one of the reactions, enough energy is released to synthesize a molecule of ATP. Because for each glucose molecule there are two pyruvic acid molecules entering the system, two ATP molecules are formed.

Also during the Krebs cycle, the two carbon atoms of acetyl-CoA are released, and each forms a carbon dioxide molecule. Thus, for each acetyl-CoA entering the cycle, two carbon dioxide molecules are formed. Two acetyl-CoA molecules enter the cycle, and each has two carbon atoms, so four carbon dioxide molecules will form. Add these four molecules to the two carbon dioxide molecules formed in the conversion of pyruvic acid to acetyl-CoA, and it adds up to six carbon dioxide molecules. These six C02 molecules are given off as waste gas in the Krebs cycle. They represent the six carbons of glucose that originally entered the process of glycolysis.

At the end of the Krebs cycle, the final product is oxaloacetic acid. This is identical to the oxaloacetic acid that begins the cycle. Now the molecule is ready to accept another acetyl-CoA molecule to begin another turn of the cycle. All told, the Krebs cycle forms (per two molecules of pyruvic acid) two ATP molecules, ten NADH molecules, and two FADH2 molecules. The NADH and the FADH2 will be used in the electron transport system.

The electron transport chain takes place in the inner mitochondrial membrane. It follows the citric acid cycle, where NADH and FADH2are reduced. These coenzymes then enter the electron transport chain. The first step is the transfer of high-energy electrons from NADH + H + to FMN, the first carrier in the chain. From each molecule of glucose, two NADH + 2H + are generated from glycolysis, two from the formation of acetyl-CoA, and six from the citric acid cycle. In this transfer, a hydride ion H - passes to FMN, which then picks up an additional H + from the surrounding aqueous medium. As a result, NADH + H + is oxidized to NAD + , and FMN is reduced to FMNH2.

In the second step in the electron transport cahin, FMNH2 passes electrons to several iron-sulfur centers and then to coenzyme Q, which picks up an additional H + from the surrounding aqeous medium. As a result, FMNH2 is oxidized to FMN.


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